什么是光学塑料
发布时间：2007-09-27 来源：统计整理 阅读次数：4178 分享到：
光学塑料 optical plastics，用作光学介质材料的塑料。主要用在批量较大的光学仪器中，用于制造光学基板、透镜、隐形眼镜、有机光导纤维等。已获得应用的光学塑料主要有：
①聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
俗称有机玻璃。其光学透明性、光学稳定性、抗裂、抗水吸收等性能较好，是应用较多的一种光学塑料。
②甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯共聚物(NAS)。
约含70％聚丙烯酸酯、30％聚苯乙烯，折射率依其组成改变(1.533～1.567)，可机加工、抛光、注模、光学稳定性好。
③聚碳酸酯(PC)。
在较宽温度范围内（－137～120℃）性能良好，适于户外使用，折射率1.586，抗冲击，耐久性好；但不易机加工和抛光，价格较高。
④甲基戊烯聚合物（TPX）。
光学性能类似于丙烯酸类，折射率约1.467，韧性好，不易磨损，耐化学腐蚀，有良好的电性能；但其成型时收缩率大。
⑤尼龙（Nylon）。
折射率1.535，抗溶剂和化学试剂腐蚀，强度高，电性能好。缺点是易吸水，二维稳定性差，价格昂贵。
⑥ADC塑料（CR-39）。
具有良好的光学透明性和耐腐蚀性，抗冲击，连续工作温度100℃，短期使用温度150℃；缺点是收缩率高、价格昂贵。此外，还有聚苯乙烯、苯乙烯丙烯腈共聚物等。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）等透明塑料不仅光学特性好，而且由于具有质轻、耐冲击和容易成型加工等塑料性能的优点，因而可替代无机玻璃，在光学领域获广泛应用，现在塑料光学材料已成为眼镜以外的光学设备、光盘、光纤、液晶显示器等光学情报领域不可缺少的材料。从目前需求和长远前景来看，光学情报领域的发展都十分强劲。但是，PMMA和PC也有不足之出：PMMA的吸水率高，PC的双折射率偏大，这就要求开发新的性能优良的光学透明性塑料，进入与PMMA和PC相同的应用市场，其中非晶型聚烯烃是最有代表性的产品。
光学塑料材料的知识
一，光学塑料大致分类：
塑料材料一般分为热塑性和热固性塑料。
光学塑料大部分为热塑性塑料，常用的有：
聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）
聚苯乙烯 （PS）
聚碳酸脂 （PC）等。
热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料。
热固性塑料：指的是在所用的合成树脂在加热初期软化，具有可塑性，继续加热则随着化学反应燮硬使形状固定不再发生变化。
常用的材料有：烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-39）树脂眼镜片
环氧光学塑料均属于热固性塑料。
二，主要的光学塑料
1， 聚甲基丙烯酸甲脂（Polymethyl methacrylate 简称PMMA，也称Acrylic）
摩尔量约为50万---100万，（摩尔量对聚合物的性能有很大的影响）
nd=1。491，色散系数Vd=57.2,是“王冕”材料，透过率约92%，加速老化后240H透过率仍能达到92%，在室外使用10年后只降到88%，能透过波长270nm以上的紫外光。
PMMA能透过X射线和Y射线，其薄片能透过α射线和β射线，但是能吸收中子线。
PMMA密度为1.19kg/m3，在20℃*109Pa时的平均吸水率为2%，在所有光学塑料中它的吸水率最高，弹性模量为3.16*109Pa,泊松比为0.32,抗张强度为(462---703) *109Pa.PMMA 的线形膨胀系数为8.3*10-5 K-1
比K9玻璃大10倍,但PMMA从高温冷却时的光学记忆即组件恢复到它原来尺寸的性能要比玻璃好,它的折射率随温度的变化dn/dt为
-8.5*10-5,比K9玻璃大出约30倍,但是它是负值.热导率为0.192W/(m*k),比热容为1465J/(kg*k),它的玻璃化温度为105℃,熔化温度为180℃.
PMMA耐稀无机酸去污液,油脂和弱碱的性能优良,耐浓无机酸中等,不耐醇,酮,溶于芳烃,氯化烃有机溶剂,为强碱及温热的NaOH,KOH所侵蚀,与显影液不起反应.
PMMA有优良的耐气候性,在热带气候下曝晒多年,它的透明度和色泽变化小.
PMMA目前于广泛被用于制造照相机,摄录一体机,投影机,光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜,还用来制造菲涅尔透镜,微透镜数组,隐形眼镜,光纤,光盘基板等零件.
2,聚苯乙烯(Polystyrene 简称PS,也称Styrene)
这是一种火石类热塑性光学塑料,尽管它的抗紫外辐射性能,抗划伤性能都不如PMMA,但它折射率高,nd=1.59—1.660,阿贝系数小Vd=30.8,所以当它和PMMA组合时可以成为对F和C谱线进行校正的消色差透镜,二级光谱的校正一般比玻璃的消色差透镜还要更好一些.
它的透过率为88%,它的双折射率较大,在阳光作用下聚苯乙烯容易变黄.
PS能自由着色,无嗅无味无毒,不致产生霉菌,吸濕性小吸只有0.02%.
PS热变形温度为70--98℃,与配方及后处理有关,它的最高连续使用温度为60--80℃,成型收缩率为0.45%,其零件经退火处理可减少内应力还可提高机械强度,无前因热变形温度,采用退火清晰度一般比实际的热变形温度低5--6℃.PS的导热系数不随温度发生变化,因此能作良好的冷冻绝热材料.
PS的比热容温度有明显变化,是塑料中比热较低的一种,在高真空中和在330--380℃内将剧烈地热降解放出43%的挥发物,41%为苯乙烯,2%是甲苯,并残留下二聚三聚四聚及多聚物为57%.
PS能耐某些矿物油,有机酸,碱,盐,低能醇及它们的水溶液,受许多酮类,高级脂肪酯等侵蚀而软化,溶于芳烃,如苯,甲苯,乙苯及苯乙烯单体等.
PS是最耐辐射的聚合物之一,要合性能发生变化须施加很大量的辐射能.
PS是树脂中易成型加工的品种之一,具有成型温度和分解温度相差大,熔融粘度低,尺寸稳定的特点,可用模压成型,也大量用于注塑成型,但它的脆性比其它光学塑料大,因此易开裂,在切浇口时应注意防止破裂,它还能用一般的金属或木材加工工具进行机械加工,如钻,锯,切等.
PS除与PMMA组成消色差的透镜外还用于复制光栅组件.
为改善PS的性能,开发出一些改良品种,如由70%的聚苯乙烯和30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的光学塑料NAS.
另一种共聚物是丙烯腈—苯乙烯的共聚物称为SAN,主要用在工程塑料制品,光学上主要用作窗口,基本保持了PS的透明度,但仍有发黄的趋势,nd=1.567,最高使用温度75--90℃,热变形温度82--105℃,线形膨胀系数(6.5—6.7)* 10-5 K-1,密度为1.06kg/m3---1.08kg/m3.
3,聚碳酸脂(Polycarbonate 称PC)
综合性能优良的热塑性塑料,有良好的耐热性,耐寒性,并在较宽温度范围内(-135℃---+120℃)保持高的机械强度,尺寸稳定性好,温度升高到105℃时材料的线性尺寸增加0.07%,有很高的冲击强度,延展性好,具有均匀的成型收缩率,吸水率低,在水中浸泡24H仅增重0.13%,但不易进行机械加工,注塑成型是最常用的方法.
密度为1.20kg/m3,本色呈淡黄色,加点淡蓝色后得到无色透明制品.nd=1.586,vd=34.0,透过率为88%,PC的机械特性是韧而剛,無缺口抗衝擊強度在熱塑性塑膠中名列前茅,成型收縮率穩定在0.5%--0.7%.
機械性能
|
性能
|
數值
|
性能
|
數值
|
|
密度
|
1.2kg/m3
|
線膨脹係數
|
7.0*10-5K-1
|
|
吸水率
|
0.24%
|
熱變形溫度
|
135--143℃
|
|
拉伸強度
|
61.74MPa
|
長期使用最高溫度
|
110℃
|
|
彎曲強度
|
93.1MPa
|
電阻率
|
108Ω*m
|
|
缺口耐衝擊強度
|
127.4J/m
|
擊穿電壓強度
|
90mv/m
|
|
表面硬度
|
M70
|
耐電弧性
|
120/s
|
熱性能
|
性能
|
數值
|
性能
|
數值
|
|
結晶熔點
|
263℃
|
可燃性
|
自熄
|
|
熔融溫度
|
220--230℃
|
平均線膨脹係數(25-85℃) K-1
|
6.53*10-5 K-1
|
|
脆化溫度
|
<-100℃
|
||
|
玻璃化溫度
|
145-150℃
|
載荷下變形溫度
181.8986*104Pa時
45.4746*104Pa時
|
138℃
143℃
|
|
最高使用溫度
|
135℃
|
||
|
比熱容
|
1172J/(kg.k)
|
||
|
熱導率
|
0.1975w/(m.k)
|
[JF:Page]
PC在室温下耐水,稀酸,氧化剂,还原剂,盐,油,脂肪烃的侵蚀,不耐碱,胺,酮,芳香烃的侵蚀,在很多有机液体为蒸气中溶胀,并导致应力开裂,溶于二氯甲烷,二氯霉素乙烷,甲酚,二恶烷中,长期致于水中会水解破裂导致脆化.
PC在水中正常吸濕性為0.15%,溫水中肖水為0.35%,沸水中吸水為0.58%,能耐60攝氏度的水溫.
由於PC的光學常數與PS相似,所以可以和PMMA組成消色差透鏡.
光學塑膠的折射率是波長λ(μm)的函數,可以用下列公式計算:
n2(λ)=A0+A1λ2+A2λ-2+A3λ-4+A4λ-6+A5λ-8
三種塑膠係數如下:
|
係數
|
PMMA
|
PS
|
PC
|
|
A0
|
2.185936
|
2.445984
|
2.428386
|
|
A1
|
8.0*10-6
|
2.2*10-5
|
-3.9*10-5
|
|
A2
|
1.45315*10-2
|
2.72989*10-2
|
2.87574*10-2
|
|
A3
|
-5.6315*10-4
|
3.0121*10-4
|
-1.979*10-4
|
|
A4
|
9.4903*10-5
|
8.8893*10-5
|
1.48359*10-4
|
|
A5
|
-3.9023*10-6
|
-1.7571*10-6
|
1.3865*10-6
|
4,苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物,簡稱:NAS
70%的苯乙烯和30%的丙烯酸脂的共聚物,它和各性能优于聚苯乙烯.透过率可达90%,折射率nd可达1.533—1.567之间变化,vd=35,可以被用来作样正色差的第二种材料,但它一般只用来作薄透镜.
5,烯丙基二甘醇碳酸脂(Allgl diglycol carbonate,简称ADC或CR-39)
它是目前在光学领域中最主要的一种热固性材料,因此这种材料通常用浇铸的方法成形,澆注在玻璃模具中,一般在140℃的溫度下用17H的時間固化成型.
Nd=1.498,vd=53---57,白光透過率92%,耐磨性,抗衝擊,化學腐蝕的能力強,能經受持續100℃的高溫,短時間內能耐150℃,由於它的收縮率很大(在固化時收縮率達14%)因此它主要用於眼鏡片.
6.新品種
①聚三環癸甲基丙烯酸脂OZ—1000及1011,1012,1013等系列.是日本日立化工公司開發出一種新型脂環樹脂.
②ARTON
由日本合成橡膠公司(JSR)開發的,在熱塑性樹脂中它的比重最輕,吸水率很小,優於PMMA,有良好的透過,色差小,雙折射率比PC的小,耐熱性好於PMMA和PC,拉伸強度優於PMMA,彎曲彈性模量優於PC,因此它很適合作非球面透鏡.
③環烯烴共聚物,簡稱COC
COC的主要性能
|
nd
|
1.535
|
密度
|
1.02kg/cm3
|
表面硬度
|
M84-86
|
|
vd
|
56
|
吸水率(24H
|
<0.01%
|
熱變形溫度
|
75-170℃
|
|
透過率(厚3
mm,400-700nm
|
92%
|
彈性模量
|
2.756-3.448
*103Pa
|
玻璃轉化溫度
|
85-180℃
|
|
光彈性係數
*1018cm2/N
室溫
|
-2至-7
|
缺口耐衝
擊強度
J/m
|
22-27
|
線膨脹係數
|
6-7*10-5/K
|
④ 環烯烴聚合物(Cyclo—olefin polymer簡稱COP)
是日本瑞翁公司開發的另一種非晶型聚烯烴(Zeonex480等)
Zeonex480與PC,PMMA的性能比較
|
性能
|
單位
|
Zeoner480
|
PC(光學級)
|
PMMA(光學級
|
|
Nd
|
-
|
1.525
|
1.586
|
1.491
|
|
Vd
|
-
|
55.8
|
34
|
57.2
|
|
光彈性係數
*1018
|
Cm2/N
|
6.5
|
7.2
|
6.0
|
|
雙折射
|
nm
|
<25
|
<65
|
<20
|
|
密度
|
Kg/m3
|
1.01
|
1.20
|
1.19
|
|
飽和吸水率
|
%
|
<0.01
|
0.2
|
0.3
|
|
玻璃轉化溫度
|
℃
|
140
|
145
|
105
|
|
荷重彎曲溫度
|
℃
|
123
|
121
|
90
|
|
線膨脹係數
|
K-1
|
7*10-5
|
7*10-5
|
8*10-5
|
|
彎曲強度
|
MPa
|
101
|
93
|
115
|
|
拉伸強度
|
MPa
|
64.3
|
64
|
73
|
|
透過率
|
%
|
92
|
90
|
92
|
|
鉛筆硬度
|
-
|
H
|
B
|
3H
|
八種主要的光學塑膠特性
八種主要光學塑膠特性
|
材料
性能
|
聚甲丙烯酸甲脂(PMMA)
|
聚苯乙烯
PS
|
NAS
|
SAN
|
聚碳酸脂
PC
|
甲基戊烯
TPX
|
聚烯烴脂
Zeonex
|
Arton F
|
|
|
N nd (589.3nm
Nc (656.3nm
Nf (486.1nm
|
1.491
1.488
1.496
|
1.590
1.585
1.604
|
1.533-1.567
1.558
1.575
|
1.567-1.571
1.563
1.578
|
1.589
1.581
1.598
|
1.467
1.4664
1.473
|
1.530
1.527
1.537
|
1.51
(589nm)
|
|
|
Vd
|
57.2
|
30.8
|
35
|
|
34.0
|
|
55.8
|
|
|
|
折射率溫度系
數(dn/dt)10-5
|
-8.5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
變形溫度℃
2℃/min1820000Pa
2℃/min450000Pa
|
92
101
|
82
110
|
100
|
99-104
100
|
142
146
|
|
122
180
|
|
|
|
最高長期工作溫度℃
|
92
|
82
|
93
|
79-88
|
124
|
|
171
|
171
|
|
|
熱導率W/M.K
|
0.21
|
0.1-0.138
|
0.12
|
0.19
|
0.167
|
|
|
|
|
|
混濁度(厚3.2mm
|
<2%
|
<3%
|
<3%
|
<3%
|
<5%
|
<5%
|
<1.5%
|
1.7%
|
|
|
透過率(厚3.2mm
|
92%
|
90%
|
90%
|
90%
|
88%
|
90%
|
92%
|
92%
|
|
|
吸水性室溫(23
度浸泡一周
|
高
2.0
|
低
0.7
|
中等
|
中等
|
低
0.4
|
0.1
|
低
|
低
0.4
|
|
|
線膨脹係數10-5 K
|
8.3
|
6.5
|
|
6.5-6.7
|
7.0
|
|
7
|
|
|
|
優點
|
透過性好
|
折射率高
|
折射率範圍大
|
穩定
|
耐衝擊
|
化學穩定性好
|
透光範圍大
|
熱穩定性好
|
|
光學玻璃和光學塑膠的光學性能
|
特性
|
光學玻璃
|
光學塑膠
|
|
Nd
|
1.44-1.95
|
1.49-1.61
|
|
Vd
|
20-90
|
26-57
|
|
折射率穩定性
|
+10-4
|
+5*10-4
|
|
折射率均勻性
|
<10-5
|
<5*10-4
|
|
光壓常數Pa-1
|
<6*10-12
|
<3.5*10-12
|
|
應力雙折射係數 Pa-1
|
<3*10-12
|
<4.0*10-12
|
|
熱光學常數(dn/dt)K-1
|
(-10 - +10)*10-6
|
(-100 - -160)*10-6
|
|
密度kg/cm3
|
2.3-6.2
|
1.05-1.32
|
|
彈性模量
|
(50-80)*103
|
(2-4)*103
|
|
硬度N/mm2
|
(3-7)*103
|
120-190
|
|
熱膨脹係數
|
(5-10)*10-6
|
(70-100)*10-6
|
|
熱穩定性
|
910-1030
|
360-420
|
|
熱導率W/m. K-1
|
0.5-1.4
|
0.14-0.23
|
|
比熱容J/kg. K-1
|
0.308
|
1.2-1.4
|
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